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數字視頻信號的長線傳輸
摘要：在實時顯示彩色數字視頻信號時，通常要求數據傳輸通道具有很高的帶寬和有效的傳輸距離。因此在設計和構建這些高速率的數據傳輸通道的，不但要選擇合理的傳輸形式，而且要對數據的編碼、解碼、并串轉換、驅動、接口等電路進行認真的研究，以達到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術是最近的設計成果，可以廣泛地應用于海量數據的有線傳輸。關鍵詞：差分接口 并轉串/串轉并 PLL LVDS-PECL
大屏幕平板顯示系統，如LED大屏幕顯示系統，廣泛地應用于信息發布領域和公用事業。2008年將在北京舉辦的奧運會，更加推出了這一產業的發展。
大屏幕平板顯示系統是典型的數字系統，要求動態、實時、清晰穩定地顯示圖像信息。與通信系統相比，這種系統更關心實時地把圖像數據正確地傳輸到顯示器，將錯誤的信號忽略掉，所以不要求強大的糾錯檢錯能力和錯碼重發功能。通常為降低成本、減小時間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進行傳輸。因此這樣的傳輸系統應具有實時、單向傳輸的特點，要求建立穩定的傳輸通道。
系統的信號來源一般是計算機顯示卡或數字電視信號。以顯示卡為例，如果輸出640×480、24bit/pixel、60幀/s標準真彩VGA圖像時，其輸出點時鐘達25.175MHz/s，數據位寬為27bit/pixel（考慮Vs、Hs、de）。這樣的海量數據，采用并行傳輸時，將使傳輸系統十分笨重，需要大量電纜；而采用串行傳輸時，將使傳輸系統簡化，必要時可以采用幾條高速串行通道來實現。
為構建穩定的串行傳輸系統，需要對信號進行一些特殊的處理，常用的電路模塊有：數據的并串轉換（serialize/deserialize）、4B/5B（8B/10B）轉換、加解擾（scramble/descramble）、電平轉換和驅動、接收端的均衡放大（equlize）、PLL、接收端錯碼檢測等。此外，在工程中還要對碼速率、傳輸速率、傳輸介質進行合理的選擇，以滿足不同需要。
圖1 傳輸系統基本組成
1 長線傳輸的基本框圖
圖1概括了構成數字視頻信號長線傳輸系統的基本組成。按點時鐘（PCLK）輸入的并行數據，經過編碼、并轉串、加擾以差分信號的形式輸出。其中編碼實現4B/5B、8B/10B等編碼轉換，消除弱碼，有助于直流平衡。加擾（scramble）使能量譜均勻分布，避免在某一頻段出現能量峰值，減少銅介質傳輸的電磁輻射。并轉串把并行碼字轉化為高速串行碼流。直流平衡就是在編碼過程中保證信道中直流偏移為0，電平轉化實現不同邏輯接口間的匹配。驅動則對傳輸信號的能量進行放大，并根據物理介質的要求進行碼型調整。均衡是對信道損失進行補償并濾除噪聲。
可以采用不同的傳輸介質進行傳輸，銅介質（同軸，雙絞線），光介質（單模，多模光纖）。在采用光傳輸時，圖1中加解擾模塊可以略去不用。有效傳輸距離與碼速率、介質、接口、環境有關，所以應按照不同電纜、不同速率、不同長度時的衰耗以及端口的門限估算傳輸距離。
建立一個穩定的傳輸系統，一般具有如下的要求：
（1）合理的系統方案設計、選擇；
（2）發射端、接收端建立穩定的PLL同步鏈路；
（3）不同高速邏輯電平的相互配合；
（4）正確的傳輸方式和耦合方式；
（5）合理的PCB設計。
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2 選擇合理的方案
根據顯示系統的不同要求，選擇合理的技術措施，是構成傳輸系統的關鍵。
（1）確定數據傳輸宏觀參數
根據系統傳輸的總的碼速率以及傳輸長度的要求，來確定并行或串行傳輸通道數量。如果采用串行通道，確定每個通道的碼速率和有效傳輸距離。傳輸通道的傳輸距離與介質、碼速率、接口電平門限有關，可參閱有關表格。下面給出一個估算公式：
S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光傳輸)
S≤[G+20lg(Uot/Uit)]/Au（銅介質）
S：傳輸距離（m）
G:接收端增益（dB）
Au:在設計傳輸率時，每米電纜的電壓衰耗（dB）
Ap：每公里的功率衰耗
Uot、Uit：分別為差分輸出端，與輸入端的電壓門限
Po、Pi：光收發器發射、接收的光功率門限
（2）確定傳輸通道的工作方式。可以采用單工、雙工、開環、閉環等，它決定了收發兩端的鏈接形式，對系統的穩定性起著重要作用。
（3）數據重組。根據傳輸通道的特點和數量，把數字視頻信號重新組合為適合傳輸系統芯片所需的格式。它是一個數據重組過程，通常需要ASIC或FPGA來實現。
（4）每個數據通道的傳輸率和接口要求，確定傳輸介質。通常采用的傳輸介質包括多模、單模光纖、同軸電纜、雙絞線。
（5）根據通道的傳輸速率，選擇最佳的收發芯片和接口電路構成系統。
圖3 在數據中加入同步碼字的基本方法
3 可靠的PLL同步環路的建立
傳輸系統中，每個通道中高速串行數據都包含有同步信息。在接收端，本地時鐘要與輸入端幀時鐘同步，才有可能正確恢復數據。系統初始時，發送端發出的一串特殊同步碼字（Sync pattern），保證在每一串行碼字中存在固定、唯一的跳變沿，使接收端的PLL鎖定。在鎖定建立后，發送端可以傳輸數據，接收端則提取編碼數據的同步信息維持接收端的鎖定。當發送端無數據傳輸時，可以插入空閑幀（具有維持鎖定的跳變沿），維持鎖定。
在數據視頻信號傳輸中，可以采用雙工回路（圖2）。由于數字視頻傳輸的特點，其雙工通路不同于通信，它的兩條通路可以是不對稱的，一條快速通道用于下傳視頻數據，另一條慢速通道傳回是否鎖定等監控信息。發送端邏輯一旦得到失鎖信息，則停止視頻數據傳輸，強制發送同步碼，直到收到鎖定信息。
數字視頻傳輸的特點，可以采用簡單的單工方式進行傳輸。這種方式更為簡單，系統在初始時建立穩定同步，并提取編碼數據中的邊沿維持鎖定。但是一旦失鎖，發射端無法收到反饋信息，系統同步難以恢復，這時接收端不能正確地恢復數據，表現為無規則的亂碼。為防止這種現象，要周期性地在發送端強行加入定長時間的同步幀，使接收端無論是否發鎖都強制同步一次。可見，系統的穩定性依賴于周圍良好的電磁環境和硬件的可靠性。其缺點是：（1）由于定時插入同步帖，占用了數據傳輸時間，需要緩沖數據，并把數據重新組合，增加了電路復雜性；（2）在有效數據量不變的情況下，提高了傳輸速率的要求。
圖3表示單工傳輸方式時兩種插入同步幀的時序。
4 不同邏輯電平的轉換
在現行的高速邏輯電平接口中，適合數字視頻傳輸的有ECL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式，具有高速率、低功耗的特點，在告訴數據的傳輸中，經常遇到不同邏輯電平的轉換，在表1中列出常用的高速邏輯接口的典型參 數，圖4表示它們之間的直觀比較。
表1 不同接口邏輯電平的典型參數
目前常用的邏輯接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的電磁兼容性、較小的功耗，因而得到廣泛的應用。LVDS、TMDS電氣特性相似，主要區別是LVDS由發送端和負載獨立構成電流回路；而TMDS是由發送端的恒流源和接收端的電源與負載共同構成電流回路，所以只能直流耦合。
在構成長線傳輸系統時，不同功能、不同邏輯電平的芯片互聯時要保證電平與阻抗的匹配。這些匹配功能可以用一些專用芯片構成，如Philip的PTN3310、PTN3311實現了PECL與LVDS之間的轉換。還可以使用簡單的電阻網絡來實現轉換功能及阻抗匹配，但是引入了衰減。要求匹配網絡具有：
（1）阻抗匹配，發送時：Ril=2Z0，接收時Ri2=2Z0；Z0為差分傳輸線的單端阻抗；Ri為驅動（接）收芯片的差分輸入（輸出）阻抗。
對于常用的LVDS、PECL輸出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。實際工程中，由于引線電感的存在，Ri應略小于2Z0。
（2）直流偏置平衡Vos=Vos1、Vos2=Vos3；Vos1、Vos2為匹配網絡兩端的直流偏置；Vos為編解碼芯片輸出（輸入）端的直流偏置；Vos3為驅動接或收芯片的輸入（輸出）端直流偏置。
(3)電阻網絡的衰減應盡量小，Vppo>Vppi>Vt。Vppi為匹配網絡輸入信號的差值；Vppo為匹配網絡衰減后輸出信號的差值；Vt為芯片差分輸入的門限。
（4）發送時，匹配網絡與驅動盡量靠近；接收時，匹配網絡與解碼盡量靠近。
匹配網絡與前后級的關系如圖5所示。
5 正確的傳輸方式和耦合方式
5.1 正確的傳輸方式
數字視頻的傳輸接口通常是差分接口，它具有較強的抗共模干擾能力。差分信號可以采用平均方式傳輸，如雙絞線（UTP5、STP5）。也可以采用非平衡方式，如同軸電纜（belden828）。
采用雙端形式時，信號傳輸線與地是隔離時，所以效地避免了地線引入的串擾。而采用單端形式時，其有效信號幅度只有雙端輸出的1/2，特別是當進行長距離傳輸時，地線作為信號傳輸線的一問好，由于受收發兩端電流、接收電阻等參數的影響，容易引入地線的串擾。故此，可以使用雙同軸構成平衡傳輸，既減小了地線干擾，又保證了較好的傳輸特性。同軸電纜的頻率特性干擾于雙絞線，在端口電參數一致的情況下，具有更遠的傳輸距離。
在遠距離戶外傳輸時，外部瞬間的強電磁干擾，對傳輸系統會造成嚴重的影響，甚至使芯片損壞，所以應具有完善的過壓保護措施和隔防措施。如果采用傳輸變壓器的隔離耦合或光耦合，可以極大地提高系統抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但極大地提高系統抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但有極大的傳輸和抗干擾能力，而且實現了隔離收發兩端的電系統，簡化了系統兩端的供電和共地。
圖5 匹配網絡與前后級的關系
5.2 差分信號耦合形式
差分信號無論是雙端還是單端傳輸，都可以采用直流耦合。相同電平的邏輯接口之間均可直接耦合；不同電平的邏輯接口之間要通過匹配網絡進行直流耦合；只有那些具有完善加解擾功能的芯片，才可使用交流耦合方式。在遠距離傳輸時，為使收發兩端直流隔離，避免外部可能引入的直流漂移，宜采用交流耦合方式。實際構成系統時，要具體分析芯片的不同功能和特性，來確定采用何種耦合方式。圖6為兩種典型 的交流傳輸方式。
6 合理的PCB設計
上面提到的高速邏輯接口，在PCB板上傳輸頻率可以達1GHz以上，要求嚴格遵守高頻PCB制作的布線規則，并對高速傳輸線進行信號完整性分析。
合理的PCB設計主要是指：
（1）采用高頻性能好的四層或四層以上的多層PCB板，PCB板材質至少應為高頻玻璃環氧樹脂板。并把高頻信號線與地層相鄰，較好的作法是：地層、微帶層、電源層、信號層。通常的做法是：微帶層、地層、電源層、信號層。
（2）發送端及接收端高速差分信號線應視作微帶線，要優先布線，每對之間寬度一致，分散走線，長度相同，盡量短直，轉彎時采用圓弧連接。這樣做是為了減少線間干擾以及反射和振鈴。
每條微帶線的特征阻抗Ro應等于接收端的單端阻抗。
若為微帶線（microstrip），計算公式為：
Ro=87·ln[5.98h/(0.8W+t)]·[1/(εr+1.41)**(0.5)]
若為微帶傳輸線（stripline），計算公式為：
R0=60·ln[4h/0.67π(0.8W+t)]·(1/εr**0.5)
其中，t為銅厚度，W為微帶線寬度，εr為介電常數，一般取4.4～5.0；h為微帶線與地層的距離。
（3）差分信號本質上屬于模擬信號，與PCB板上其他數字信號應區別開，遵循模擬和數字混合電路的布線原則：模擬地單獨設，電源單獨提供，模擬地與數字地只有一些會合，位于總電源入口的地上，可以加入高頻磁珠濾除地線雜波。
以上總結討論了長線傳輸的幾個主要問題。需要說明地是，并不是每一個具體的系統都與圖1完全一致。在實際中，由于使用目的不同、傳輸數據的頻率不同、距離不同、使用的技術不同、傳輸系統有很大差異。一般組成系統時，可以采用155M/622M/1.2G以太網物理層芯片，可以采用STMPE規范的數字視頻芯片，還可以采用光通信的傳輸芯片。許多廠家提供這樣的芯片，如National、Ti、Agilent、Maxim、Cypress等。
這些芯片的功能、頻率適用范圍、輸出邏輯電平、適用協議及其他具體參數都各有差異，應用時應仔細區分。例如有些芯片本身集成了電纜驅動電路，如CLC020、CLC030。有些傳輸芯片沒有加擾功能，如DS90CR583/584、DS92LV1023/1024。此外不同芯片的編碼解碼、加擾解擾的方式也各有差異。例如CLC020采用補位進行8B/10B編碼，多項式運算完成加擾，直流平衡采用常用的NRZ/NRZI碼的轉換方式；而如HDMP1022/1024，其編碼是通過D域編碼，再疊加復用C域編碼（frame mux）完成16B/20B，20B/24B編碼則是通過計算每個字的碼重來確定符號，累計每個字的符號來決定當前字是否翻轉（Conditional invert master transition），從而達到直流平衡的目的。只有詳細了解不同芯片的特征和參數，才能構成成本低、效率高、穩定可靠的傳輸系統。
筆者最近研發的雙絞線、同軸、光纖長線傳輸系統，適合不同頻率范圍、不同距離的應用，使用情況良好，系統運行穩定。
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